用协同电路保护技术保护继电器

在消费类电子产品和工业设备中，常常使用继电器，用一个低电平信号来控制大电流和高电压，或者切换必须与控制电路隔离的电流。

电压过高或者电流过大会导致继电器损坏。继电器由一对或者几对触点和绕组组成。当绕组中有电流流过时，触点便会打开或者闭合。当继电器把流到感性负载的电流中断时，会出现电压尖脉冲，这是一个常见的问题。严重时，电压尖脉冲会超过继电器触点的额定电压，从而损坏触点。可能会突然损坏而且很严重，或者非常缓慢，要在多年后才能体现。

 图1 PPTC保护器的工作原理

此外，当触点断开、电流中断时，如果在继电器触点中流过的电流过大，也会造成损坏。电流过大、电压过高还会损坏继电器的绕组。如果继电器绕组是设计成在正常工作的情况下只在短时间里有电流流过的话，在意外地有电流长时间流过时，电流虽然是在正常工作的范围之内，最终也会把绕组烧坏。

本文回顾了可以用来保护继电器的各种方案，其中包括过电流保护，在出现故障或者出现过载时，防止电流过大造成损坏，以及过电压保护，防止电压尖脉冲或者稳态过电压造成损坏。

防止过电流造成损坏
保护继电器的一个常用元件是高分子聚合物正温度系数（PPTC）自复过流保护器（见图1）。 它是用碳黑这种导电性填料做成的。在这个元件中碳黑构成网状导电通路。在正常的情况下，PPTC保护器呈现低电阻，但是，在PPTC保护器中流过的电流过大时，它的温度升高，结晶状聚合物变成非结晶状态。

这个转变引起聚合物膨胀，使得导电性聚合物内的网状导电通路断开。这个变化引起它的电阻急剧上升。由于电阻增大，于是保护器中流过的电流便下降到很小。

PPTC保护器保持这个状态，直到故障被排除。一旦把故障排除了，保护器的温度下降，碳黑形成的导电通路恢复，它又回到低电阻状态。可以不使用PPTC 保护器而用传统的熔断器来保护继电器。不过,在使用熔断器的情况下，每当发生故障，就需要更换熔断器。PPTC保护器的主要优点在于它具有自复功能，从而可以减少昂贵的服务费用和保修费用。
 
防止过电压造成损坏
有一些过电压保护器可用于保护继电器。其中成本、的一个办法是使用MOV （金属氧化物压敏电阻器）或者MLV（多层压敏电阻器）。 压敏电阻器是一种可变电阻器（即电阻随着电压而改变的非线性器件）。当加在它两端的电压增大时，它的电阻下降。

金属氧化物压敏电阻器是用氧化锌粉末与其他的金属氧化物陶瓷经过烧结做成的。由此产生的是一个多晶陶瓷，其中氧化锌颗粒分布在金属氧化物陶瓷中，并且被金属氧化物陶瓷所隔开。两个相邻氧化锌颗粒的边界具有类似于PN结的半导体特性，在电压低时，将把电流的通路阻断，在电压较高时，由于它的非线性特性，形成电流导通的通路。这种器件可以用于保护电源电路，其原理是，当它动作时，不会变成短路，而是电阻变小，从而加在器件上的电压下降。MLV使用的技术和MOV是一样的 ，但是，它使用很小的表面贴装封装，它的电极是在多层氧化锌之间。

图2是保护继电器的一种典型电路。PPTC保护器是是与继电器绕组串联着，在出现故障或者发生意外的过载时，它限制继电器中流过的电流。这个图中，还有一个 PPTC保护器与继电器的触点串联着，它起的作用与保护继电器绕组是一样的。

在选择PPTC保护器时，很重要一点是它的额定电压要等于或高于预期的电压。还要求保护器的保持电流必须等于或大于正常运作时的稳定状态电流。此外，还要考虑到环境温度，这是因为随着环境温度上升，保持电流下降。

PPTC保护器制造商提供温度折减曲线和图表，帮助设计师选用在环境温度下具有足够保持电流的器件。这些资料中也包含这些保护器的额定电压、电阻和动作时间曲线。

在图2中还有MOV或者MLV与继电器触点并联的电路。这些保护器件的额定值要按照工作电压和浪涌电流来选择。很重要的一点是，选用的器件，必须在正常的电压下，不能让很大的电流流过。MOV的技术指标包括允许的直流电压或者交流电压。每个MOV和MLV保护器都有浪涌电流额定值。在确定额定电流时，通常采用8/20μm的电压波形（这就是，用上升时间为8μm、上升到峰值一半的延迟时间为20μm的电压波形） 。随着压敏电阻器的尺寸增大，8/20μm浪涌电流额定值将增大。MOV或者MLV保护器也可以与继电器绕组并联起来，如图2所示。

图2 用过电流和过电压保护器保护继电器的典型电路
 
结论
协同式过电流和过电压电路保护器可以保护消费类电子产品和工业设备，对于提高设备的可靠性，提高用户满意度和降低保修成本，是有利的。在出现过电压的情况下，MOV或者MLV保护器会迅速地从高电阻状态切换到低阻抗状态，从而把加在器件两端的暂态电压箝制在一个安全的电平上。PPTC保护器是一种自复的过电流保护方案。因为在把故障排除、把电源切断重新加上后，它自动恢复到原来的状态，在一般情况下是不需要修理和更换的。